8.4 Сооружения для глубокой очистки сточных вод

Сооружения предназначены для обеспечения более глубокой очистки городских и производственных сточных вод и их смеси, прошедших биологическую очистку, а так­же для производственных сточных вод после механической, химической или физико-химической очистки перед сбросом в водные объекты или повторным использованием их в производстве или сельском хозяйстве.

В качестве сооружений для глубокой очистки сточных вод могут быть применены фильтры с зернистой загрузкой различных конструкций, сетчатые барабанные фильтры, биологические пруды, сооружения для насыщения сточных вод кислородом.

Фильтры и контактные осветлители

Фильтрование (фильтрация) процесс разделения суспензий или аэрозолей при помощи фильтровальных перегородок, пропускающих жидкость или газ, но задерживающих твердые частицы.

Различают следующие виды фильтрования: собственно разделение суспензий – отделение содержащихся в них твердых частиц, задерживаемых на фильтровальные перегородки, через которую удаляется подавляющее количество жидкости; сгущение суспензий – повышение в них концентрации твердой фазы путем удаления через фильтровальные перегородки некоторой части жидкой фазы; осветление жидкостей – очистка от содержащегося в них небольшого количества тонких взвесей. Осадки, получаемые при фильтрования, бывают несжимаемые (их пористость в процессе фильтрования постоянна) и сжимаемые (пористость уменьшается). В случае несжимаемых осадков (например, частиц песка, кристаллов карбоната кальция) поток жидкости через фильтровальные перегородки ламинарен и скорость фильтрования пропорциональна перепаду давления и высоте слоя осадка. В случае сжимаемых осадков (например, гидроокисей металлов) эта зависимость более сложна и индивидуальна для каждой суспензии. Сжатие осадка приводит к увеличению гидравлического сопротивления и уменьшению скорости фильтрования. Для предотвращения сжатия к тонкодисперсным суспензиям добавляют коагулянты и флокулянты, способствующие агрегированию мелких частиц и повышению пористости осадка.

Фильтровальные перегородки – это материалы (естественные или искусственные) или изделия, имеющие пористую структуру (проницаемую для жидкости и газа) и применяемые для фильтрования. Фильтровальные перегородки, применяемые в промышленности и лабораторной практике, должны обладать следующими свойствами: соответствующей пористостью (размеры пор должны быть такими, чтобы частицы осадка задерживались на перегородке); химической стойкостью к действию фильтруемой среды; достаточной механической прочностью; теплостойкостью при температуре фильтрования. Различают гибкие и негибкие фильтровальные перегородки. К гибким фильтровальным перегородкам относятся металлические перегородки в виде перфорированных листов и сеток из стали, меди, алюминия, никеля, серебра и др. материалов. Такие фильтровальные перегородки особенно удобны при работе с химически агрессивными жидкостями, в условиях повышенных температур и больших механических напряжений. К гибким фильтровальным перегородкам относятся также неметаллические перегородки в виде тканей, слоев несвязанных волокон (нетканые). Неметаллические фильтровальные перегородки бывают асбестовые, стеклянные, хлопчатобумажные, шерстяные, поливинил-хлоридные, лавсановые и т.п. Негибкие фильтровальные перегородки могут быть жесткими в виде дисков, плит, патронов и листов, которые изготовляются прессованием в формах с последующим спеканием из керамических, металлических, стеклянных и синтетических порошков, и нежесткие, состоящие из соприкасающихся (но не связанных жестко) частиц каменного, древесного и животного углей, кокса, диатомита, песка, глины и т.п. материалов.

Жидкостные фильтры по принципу действия подразделяются на две основные группы: фильтры периодические и фильтры непрерывного действия. Различаются по способу создания в них разности давлений (работающие под вакуумом или под избыточным давлением), по геометрии фильтрующей поверхности (плоская или криволинейная), по типу применяемых фильтровальных перегородок. В фильтры периодического действия на всей поверхности фильтровальной перегородки поочередно осуществляются поступление суспензии и образование осадка (фильтрование), обезвоживание, промывка и удаление осадка, регенерация фильтровальной перегородки. В фильтрах непрерывного действия указанные операции проходят непрерывно, единовременно и независимо одна от другой в каждой соответствующей зоне фильтра

К фильтрам периодического действия относятся емкостные, листовые, фильтр-прессы и патронные.

К фильтрам непрерывного действия относятся барабанные, дисковые, ленточные, тарельчатые и карусельные фильтры.

Емкостный фильтр применяют для разделения небольших количеств суспензий. Он может работать под вакуумом (путч-фильтр) и под избыточным давлением (друк-фильтр). Корпус емкостного фильтра бывает открытым или закрытым. Фильтровальная перегородка располагается на перфорированном днище. В верхнюю часть корпуса подается разделяемая суспензия. Из нижней части отводится фильтрат. В фильтре с механизированной выгрузкой осадок удаляется через откидное днище, а в фильтре с открытым корпусом – опрокидыванием или вручную.

Листовой фильтр используют для осветления растворов и разделения суспензий, содержащих не более 5% (по объему) твердой фазы. Фильтрующие элементы круглой или прямоугольной формы, обтянутые фильтровальные перегородки (обычно тканью) соединены с коллектором для отвода фильтрата. Суспензия подается в корпус фильтра, а слой осадка промывается (после удаления из корпуса остатка суспензии).

Фильтр-прессы применяют в основном для разделения тонкодисперсных суспензий. К ним относятся рамные и камерные фильтр- прессы и камерный автоматический фильтр-пресс. Рамный фильтр-пресс представляет собой блок чередующихся вертикальных плит и рам, прижатых друг к другу ручным, гидравлическим или электромеханическим зажимом. Рамы образуют в собранном аппарате свободные плоские камеры (карманы) для приема суспензии. Плиты с рифлеными боковыми поверхностями служат дренирующим основанием для фильтровальной перегородки. Под действием избыточного давления фильтрат проходит через фильтровальные перегородки, затем стекает по желобкам рифленых плит и через отводные каналы поступает в сборник. Твердые частицы образуют в камерах слой осадка, который удаляется при раздвигании плит. Действие камерного фильтр-пресса подобно работе рамного фильтр-пресса, но он рассчитан на более высокое избыточное давление. Камерный автоматический фильтр-пресс состоит из расположенных горизонтально на некотором расстоянии одна от другой фильтрующих плит, которые в свою очередь находятся между двумя поддерживающими плитами. Сверху каждая фильтрующая плита покрыта перфорированным листом, над которым находится фильтровальные перегородки в виде бесконечной ленты. При сжатии плит между ними образуются камеры, в которые последовательно подается из соответствующих коллекторов суспензия, промывная жидкость и сжатый воздух для продувки. Фильтрат проходит через фильтровальные перегородки, а твердая фаза остается на ней в виде осадка. По окончании цикла фильтрования плиты раздвигаются, между ними открывается щель и фильтровальные перегородки приводится в движение, вынося осадок наружу, где он снимается ножами.

 Патронный фильтр (рисунок 27) применяют для осветления или сгущения суспензий; работает под вакуумом или под давлением и состоит из корпуса с крышкой и днищем. Внутри находится решетка, на которой закреплена фильтровальная перегородка в виде патрона (обычно патронный фильтр имеет несколько десятков таких патронов). Удаление осадка с последней производится отдувкой сжатым воздухом, пневмогидравлическим ударом или с помощью вибрационных устройств.

1 – корпус; 2 – фильтровальная перегородка; 3 – крышка; 4 – решетка; 5 – откидное днище Рисунок 27 – Схема патронного фильтра

Барабанный вакуум-фильтр находит наибольшее применение в промышленности

Вакуум-фильтр, аппарат для разделения суспензий, то есть жидкостей, содержащих твердые частицы во взвешенном состоянии. Разделение происходит в результате разности давлений, создаваемой вакуум-насосом, над фильтрующей перегородкой и под ней. Известны вакуум-фильтры периодического (рисунок 28) и непрерывного (рисунок 29) действия. Последний представляет собой горизонтальный вращающийся барабан, который изнутри разделен радиальными герметичными перегородками на отдельные ячейки, соединенные трубками с распределительной головкой.

1 – суспензия; 2 – резервуар; 3 – фильтрующая поверхность (ткань, сетка, керамические плитки); 4 – решетка; 5 – штуцер, соединяющийся со сборником фильтрата и вакуум–насосом; 6 – осадок Рисунок 28 – Вакуум-фильтр периодического действия:

По мере вращения барабана в ячейках создается вакуум или избыточное давление. При вращении барабан проходит зону фильтрации, где жидкость засасывается в барабан, а твердые частицы оседают на фильтрующей ткани. После промывания осадка водой барабан входит в зону сушки, где через осадок просасывается воздух, затем в зону удаления осадка.

Здесь изнутри барабана подается сжатый воздух, а осадок с поверхности барабана срезается ножом. Известны также дисковые, ленточные, тарельчатые, карусельные и др. вакуум-фильтры непрерывного действия. 

1 – барабан; 2 – перегородки; 3 – распределительная головка (золотниковый механизм); 4 – корыто; 5 – нож для срезания осадка; 6 – распределитель воды для промывания осадка; 7, 8 – трубы для откачки соответственно отфильтрованной жидкости и промывной воды; 9 – труба для подачи сжатого воздуха Рисунок 29 – Барабанный вакуум-фильтр непрерывного действия

Дисковый вакуум-фильтр (рисунок 30) предназначен для разделения суспензий с близкими по размерам частицами твердой фазы. Имеет более развитую фильтрующую поверхность, чем барабанные вакуум-фильтры. В дисковом вакуум-фильтре на горизонтально расположенном полом валу, разделенном на секции, укреплены вертикальные диски. Вал с дисками вращается в корыте, имеющем форму полуцилиндра и заполненном разделяемой суспензией. Каждый диск состоит из обтянутых фильтровальными перегородками полых секторов, имеющих с обеих сторон перфорированную или рифленую поверхность. Полость каждого сектора диска сообщается с отводящим каналом для удаления фильтрата. Съем осадка осуществляют сжатым воздухом (для отдувки), посредством ножей и валков (для отрыва и направления выгрузки).

Рисунок 30 – Дисковый фильтр

1 – секции; 2 – фильтрующие элементы – диски; 3 – распределительное устройство; 4 – трубопровод для соединения с источником вакуума и удаления фильтрата; 5 – трубопроводы для подачи сжатого воздуха; 6 – ножи для съема осадка

  Ленточный вакуум-фильтр (рисунок 31) предназначен для разделения суспензий, образующих неоднородный по размерам частиц тяжелый и требующий тщательной промывки осадок. Фильтр представляет собой стол, в котором имеются вакуум – камеры для отвода фильтрата и промывной жидкости. Фильтровальными перегородками (обычно ткань) покрывает прорезиненную перфорированную ленту, натянутую на крайних барабанах стола. Осадок сбрасывается в сборник при перегибе фильтровальных перегородок. Регенерация фильтровальных перегородок производится при обратном движении ленты с помощью механических щеток или паровых форсунок.  

Тарельчатые вакуум-фильтры (рисунок 32) применяют преимущественно для обезвоживания крупнозернистых шламов в производстве калия, в подготовке каменного угля и руд и т.д. Основная деталь фильтра – кольцо, состоящее из ряда трапецеидальных секторов, каждый из которых является фильтрующей ячейкой. Последняя открыта сверху и имеет днище, наклоненное к центру для облегчения стока жидкости. По верху ячейки уложен перфорированный лист, на котором находится фильтровальная перегородка. Внутренняя полость каждого сектора с помощью соединительных трубок сообщается с каналами распределительного устройства, жестко связанного с корпусом. Подача суспензии осуществляется в ячейки сверху. Съем, осадка производится ножом или шнеком.

1 – натяжной барабан; 2 – стол; 3 – вакуум-камеры; 4 – бесконечная резиновая лента; 5 – приводной барабан; 6 – бесконечное полотно (фильтровальная перегородка); 7 – лоток для подачи суспензии; 8 – оросительные трубки Рисунок 31 – Ленточный фильтр

Карусельный вакуум-фильтр применяется для разделения грубодисперсных суспензий; состоит из ковшей в форме трапецеидальных секторов, собранных на кольцевой раме. Ковши связаны трубками с распределительным устройством, через которое удаляются фильтрат и промывная жидкость. Ковши вращаются вокруг вертикальной оси как единое целое. Каждый ковш состоит из корпуса, образующего вместе с дренажными пластинами и фильтровальными перегородками рабочий орган фильтра. Суспензия и промывная жидкость заливаются в ковш сверху. Для выгрузки осадка ковш автоматически поворачивается на 180° над местом выгрузки.

	1 – фильтровальная ячейка; 2 – соединительная трубка; 3 – устройство для устранения трещин в осадке; 4 – устройство для распределения промывной жидкости; 5 – устройство для удаления осадка; 6 – борт
Рисунок 32 – Тарельчатый фильтр

В практике очистки сточных вод получили распространение фильтры с зернистой загрузкой, кото­рые классифицируются по следующим признакам:

• по скорости фильтро­вания на: медленные (0,1 – 0,3 м/ч), скорые (5 – 12 м/ч) и сверхскорые (36 – 100 м/ч);

• по рабочему давлению на: открытые (безнапорные) и закрытые (напорные);

• по направлению фильтрующего потока: однопоточные, двухпоточные и многопоточные и т.д.

При фильтровании из сточной воды могут быть выделены не толь­ко диспергированные частицы, но и коллоиды.

Для очистки шахтных вод в основном используются зернистые фильтры, которые называются контактными осветлителями (рисунок 33).

Конструктивно контактный осветлитель представляет собой бетонный резервуар, квадратный или прямоугольный в плане, и длиной 3 – 4 м. В нижнюю часть резервуара загружается фильтрующий чистый материал, состоящий из слоя гравия и щебня толщиной 0,5 – 0,8 м и песка толщиной 1 – 1,2 м. Крупность щебня составляет 5 – 30 мм, а песка – 0,8 – 2 мм.

ж – скорый фильтр для осветления воды: 1 – песчаный фильтрующий слой; 2 – гравийный поддерживающий слой; 3 – трубчатый дренаж; 4 – желоб для отвода промывной воды; 5 – карман; 6.9 – трубопроводы для подачи соответственно осветляемой и промывной воды; 7, 8 – трубопроводы для отвода соответственно промывной и осветленной воды; 10 – трубопроводы для сброса воды в канализацию: з – контактный осветлитель: 1,2 – трубопроводы для подачи соответственно промывной и осветляемой воды; 3,4 – трубопроводы для отвода соответственно промывной и осветляемой воды; 5 – распределительная система из дырчатых труб; 6 – гравий; 7 – песок; 8 – желоб;

Рисунок 33 – Скорый фильтр и контактный осветлитель

В качестве фильтрующего материала может быть использован дробленый антрацит, керамзит, горелые породы, отходы синтетических волокон и т.д. Очищаемая вода проходит фильтрующую загрузку снизу вверх. При фильтровании происходит сорбция примесей, содержащихся в воде, поверхностью зерен фильтрующей загрузки. В зависимости от толщины слоя фильтрующей загрузки и крупности зерен, скорость фильтрования составляет от 8 до 10 м/ч.

Очищенная от взвесей вода переливается через верхний бортик приемного лотка.

По мере загрязнения фильтрующего слоя взвешенными веществами загрузку подвергают регенерации путем промывки при подаче воды с большей скоростью, при одновременном включении сжатого воздуха, ко­торый подается по перфорированным трубкам, проложенным в нижней части резервуара

Контактные осветлители могут работать как с предварительной коагуляцией, так и без реагентной обработки. Концентрация взвешен­ных частиц в сточных водах, подаваемых на очистку в открытых филь­трах, может достигать 150 – 200 мг/л. Содержание взвесей в очищенной шахтной воде обычно не превышает 10 мг/л,

Достоинства открытых скорых фильтров:

• высокая эффективность по очистке от взвесей;

• для размещения очистных сооружений не тре­буется значительных размеров земельных участков;

• фильтры размеща­ются в отапливаемых помещениях и в зимнее время они продолжают функционировать.

Недостатки: слабая механизация и автоматизация процессов выгрузки и загрузки фильтрующего материала.

На некоторых шахтах находят применение напорные скорые филь­тры. Они выполняются в виде стального герметичного корпуса со сфе­рическими днищами и с зернистой загрузкой, состоящей из кварцевого песка крупностью 0,5 – 3 мм и щебня крупностью 3 – 5 мм. Вода поступает в фильтр под давлением 0,4 – 0,8 МПа и движется обычно сверху вниз.

Фильтры с зернистой загрузкой рекомендуются следующих конструкций: однослой­ные, двухслойные и каркасно-засыпные (КЗФ). В зависимости от конструкции и клима­тических условий фильтры следует располагать на открытом воздухе или в помещении. При расположении фильтров на открытом воздухе трубопроводы, запорная арматура, насосы и прочие коммуникации должны располагаться в проходных галереях. В качест­ве фильтрующего материала допускается использовать кварцевый песок, гравий, гра­нитный щебень, гранулированный доменный шлак, антрацит, керамзит, полимеры, а также другие зернистые загрузки, обладающие необходимыми технологическими свой­ствами, химической стойкостью и механической прочностью. Расчет конструктивных элементов фильтров надлежит производить согласно [1]. Для предотвращения биологи­ческого обрастания фильтров с зернистой загрузкой необходимо предусматривать пред­варительное хлорирование поступающих сточных вод дозой до 2 мг/л и периодическую обработку фильтра (2-3 раза в год) хлорной водой с содержанием хлора до 150 мг/л при периоде контакта 24 ч. Проектирование фильтров с зернистой загрузкой для глубокой очистки производственных сточных вод следует производить по данным техно­логических исследований.

Фильтр	Параметры фильтрующей загрузки				Высота слоя, м	Скорость фильтрования, м/ч, при режиме		Интенсивность промывки, л/(см2)	Продолжительность этапа промывки, мин	Эффект очистки, %
	Фильтрующий материал	гранулометрическая характеристика загрузки d, мм								по БПКполн	по взвешенным веществам
		минимальная	максимальная	эквивалентная		нормальном	форсированном
Однослойный мелкозернистый с подачей воды сверху вниз	Кварцевый песок	1,2	2	1,5 - 1,7	1,2 - 1,3	6 - 7	7 - 8	Воздух (18-20)	2	50 - 60	70 - 75
	Поддерживающие слои - гравий	2	5	-	0,15 - 0,2			Воздух (18-20) и вода (3-5)	10 - 12
		5	10	-	0,1 - 0,15
		10	20	-	0,1 - 0,15			Вода (7)	6 - 8
		20	40	-	0,2 - 0,25
Однослойный крупнозернистый с подачей воды сверху вниз	Гранитный щебень	3	10	5,5	1,2	16	18	Воздух (16)	3	35 - 40	45 - 50
								Воздух (16) и вода (10)	4
								Вода (15)	3
Двухслойный с подачей воды сверху вниз	Антрацит или керамзит	1,2	2	-	0,4 - 0,5	7 - 8	9 -10	Вода (14-16)	10 - 12	60 - 70	70 - 80
	Кварцевый песок	0,7	1,6	-	0,6 - 0,7
	Поддерживающие слои - гравий	2	5	-	0,15 - 0,25
		5	10	-	0,1 - 0,15
		10	20	-	0,1 - 0,15
		20	40	-	0,2 - 0,25
Каркасно-засыпной (КЗФ)	Кварцевый песок	0,8	1	-	0,9	10	15	Воздух (14-16) и вода (6-8)	5 - 7	70	70 - 80
	Каркас - гравий	1	40	-	1,8			Вода (14-16)	3
		40	60	-	0,5
		40	60	-	0,5

Фильтры с полимерной загрузкой. Фильтры «Полимер» следует применять для очи­стки производственных сточных вод от масел и нефтепродуктов, не находящихся в них в виде стойких эмульсий. Фильтры допускается применять для очистки дождевых вод. Допустимая концентрация масел и нефтепродуктов в исходной воде до 150 мг/л, взвешенных веществ – до 100 мг/л. Концентрация этих веществ в очищенной воде – до 10мг/л. В качестве загрузки надлежит принимать пенополиуретан крупностью 20x20x20 мм, плотностью 46-50 кг/м³, высотой слоя 2 м. Скорость фильтрования до 25 м/ч. Фильтры следует размещать в здании с температурой воздуха не ниже 5 °С.

Сетчатые барабанные фильтры следует применять для механической очистки произ­водственных сточных вод, для установки перед фильтрами глубокой очистки сточных вод (барабанные сетки), а также в качестве самостоятельных сооружений глубокой очи­стки (микрофильтры). Степень очистки сточных вод, достигаемую на сетчатых барабан­ных фильтрах, допускается принимать в интервале 20-60% по взвешенным веществам для микрофильтров и 20–25% для барабанных сеток, по БПК_ПОЛН соответственно 25–30 и 5-10%.

При применении барабанных сеток для механической очистки сточных вод в исход­ной воде должны отсутствовать вещества, затрудняющие промывку сетки (смолы, жи­ры, масла, нефтепродукты и пр.), а содержание взвешенных веществ не должно превы­шать 250 мг/л. При использовании микрофильтров для глубокой очистки городских сточных вод содержание взвешенных веществ в исходной воде должно быть не более 40 мг/л.

Биологические пруды – искусственные водоемы глубиной 0,5 – 1,0м. Процесс очистки в них аналогичен процессу естественного самоочищения водоемов. Биопруды устраивают на водонепроницаемых иди слабоп­роницаемых грунтах. Площадь зеркала биопруда 0,5 – 2,0 га. Сточные воды очищаются за счет аэробного и анаэробного разложения загрязнений – микроорганизмами, поглощения образующихся про­дуктов разложения растительностью. Образующийся на дне осадок раз­лагается аэробными бактериями, с образованием улетучивающихся метана и углекислого газа, и других соединений, усваиваемых водоросля­ми. Продолжительность пребывания сточных вод в биопруде 20 суток. Неразлагающийся осадок накапливается на дне и требует периоди­ческого удаления из биопруда.

Наиболее интенсивно процессы биохимического разложения орга­нических загрязнений протекают при температуре 15 – 25 С. Для повышения, интенсивности очистки применяют искусственную аэрацию сжатым воздухом через перфорированные трубы.

Ботанические площадки представляют собой системы каналов с засаженной водной растительностью, через которые протекает очищае­мая вода. Очистка происходит за счет разложения загрязнений микроорганизмами и усвоения продуктов распада растительностью. Ботани­ческая площадка состоит из бетонного водораспределительного лотка и ряда отходящих от него параллельных каналов глубиной и шириной по дну 0,5 – 1 м, длиной 10 – 40 м. В конце каналов устраивают горизонтальную площадку доочистки. В каналах и площадке доочистки высаживают растения (камыши, рогоз, тростник), способные извлекать из воды вредные вещества.

Лекция № 6 Прочие очистные сооружения